• 터널과지하공간
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• 제34권2호
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• pp.127-142
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• 2024

수치해석 기법의 강건성은 다양한 모델링 조건에서 계산 성능이 유지되는 것을 의미하며, 새로운 해석기법 또는 수치코드는 벤치마크 테스트를 통해 강건성이 평가될 필요가 있다. TOUGH-FLAC 모델링 기법은 국내외적으로 이산화탄소 지중저장, 사용후핵연료 지층처분, 지열 개발 등 다양한 분야에 적용되었으며, 실험 계측자료, 다른 수치코드들과의 결과 비교를 통해 모델링 유효성이 분석되었다. 본 연구에서는 해석해를 갖는 열-수리-역학적 복합거동 문제를 토대로 TOUGH-FLAC 기법의 벤치마크 테스트를 수행하였다. 적용된 해석해는 완전히 포화된 지반에 점열원 작용 시 주변매질의 온도, 간극수압, 역학적 거동과 관계되며, 해석해와 수치모사 결과를 비교하여 TOUGH-FLAC 기법의 강건성이 평가되었다. 또한, 열-수리-역학 해석의 연계항, 유체 상변화, 시간증분이 복합거동 계산에 미치는 영향을 조사하였다.

• 터널과지하공간
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• 제30권4호
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• pp.335-358
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• 2020

본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석기법을 통해 단층의 수리역학적 거동을 평가할 수 있는 수치해석 모델을 제안하였다. 이는 국제공동연구 DECOVALEX-2019 Task B의 일환으로 수행되었으며, 불투수성 암반 내 유체 주입으로 인한 단층의 재활성을 예측하고 주변 암반의 수리역학적 안정성을 평가할 수 있는 해석모델을 개발하는 데에 그 목적이 있다. 본 연구에서는 TOUGH2 수리유동모델과 FLAC3D의 역학적 인터페이스 모델의 연동을 통해 단층의 역학적 거동을 보다 합리적으로 구현할 수 있는 해석기법을 제안하고, 벤치마크 해석과 스위스 Mont Terri 지하연구시설 현장시험에 적용하여 그 타당성과 유효성을 검증하였다. 개발된 해석 모델은 유체의 주입으로 인한 단층 내 압력 분포의 발달, 역학적 변형에 따른 수리간극의 변화, 변위와 응력 등 단층의 수리역학적 거동을 적절히 재현할 수 있는 것으로 나타났다.

• 터널과지하공간
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• 제30권1호
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• pp.39-62
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• 2020

본 연구에서는 불포화토의 열-수리적 변화로 야기되는 역학적 거동 특성을 분석하고 장기 거동을 예측하기 위해 Barcelona Basic Model(BBM) 해석 모듈을 TOUGH2-MP/FLAC3D에서 구동할 수 있도록 개발하였다. 기본적으로는 TOUGH-FLAC에 BBM 해석 모듈을 개발하기 위해 사용된 선행연구의 방법과 마찬가지로 FLAC에서 제공하고 있는 Modified Cam Clay Model(MCCM)을 기반으로 User Defined Model(UDM)과 FLAC3D에서 제공하는 FISH function을 이용하였다. 본 연구에서 개발한 BBM 해석 모듈에서는 평균유효응력뿐만 아니라 흡입력의 변화에 따른 소성변형률을 모두 고려하였으며, 평균유효응력 및 흡입력 증가에 따른 항복면의 변화를 모두 반영할 수 있도록 하였다. 개발된 BBM 해석 모듈을 FLAC3D 매뉴얼에 기술되어 있는 MCCM 예제, BBM을 처음 제안한 선행연구에 언급되어 있는 예제들, 그리고 스웨덴 SKB 보고서에 언급되어 있는 실험실 시험 결과를 이용하여 검증하였다. 뿐만 아니라, 효과적인 BBM의 파라미터 도출을 목적으로 개발된 Quick tools의 검증을 위해 수행된 일련의 모델링 시험들을 동일하게 수행하고 선행연구에서 보고된 Quick tools와 Code_Bright의 결과와 비교함으로써 개발된 BBM 해석 모듈을 검증하였다.

• 터널과지하공간
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• 제26권3호
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• pp.166-180
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• 2016

본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동 해석기법을 이용하여 호주 오트웨이 실증프로젝트 염수층 내 이산화탄소 주입을 수치적으로 모델링하고 주변 지층에 야기되는 수리-역학적 거동 특성을 살펴보았다. 대상 부지의 물리검층, 시추코어 분석 및 지구통계기법을 통해 구현된 3차원 추계학적 지질모델을 바탕으로 해석모델을 작성하였으며, 이산화탄소의 주입과 이에 따른 수리-역학적 연계거동을 분석하였다. 총 30,000톤의 이산화탄소를 200일 동안 주입하는 경우, 주입공 주변의 압력 변화는 0.5 MPa 이하로 나타났으며, 주입 5일 경과 시 압력이 수렴하는 경향을 보였다. 지층 내 역학적 거동에는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단되며, 주변 단층대로의 유동도 미미한 수준으로 나타났다.

• 터널과지하공간
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• 제33권4호
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• pp.265-280
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• 2023

터널누수는 주변지반의 응력 및 간극수압을 변화시켜 터널 안정성 및 지반변형에 영향을 미칠 수 있는 결함요소이다. 장기간 또는 큰 규모의 누수발생은 터널 라이닝의 불안정성 및 지표침하와 같은 터널 구조물 및 주변지반 환경에 손상을 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 누수발생 시 터널의 구조 안정성 및 지반거동에 미치는 영향을 수치해석적으로 분석하였다. 고려된 터널은 내부로 주변 지하수의 유입을 허용하지 않는 비배수 조건으로 가정하였고 터널 완공 후 라이닝에서 누수가 발생하는 것으로 설정하였다. 누수로 인한 터널 구조물 및 지반의 거동을 모사하기 위해 수리역학 연계해석이 수행되었으며 파이썬으로 개발된 TOUGH-FLAC 시뮬레이터가 사용되었다. 누수 발생량과 누수위치를 변화시켜 수치모사가 수행되었으며 수리역학 해석을 위한 연계항들이 복합거동 결과에 미치는 영향을 조사하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제17권2호
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• pp.183-202
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• 2019

고준위방사성폐기물의 처분터널 및 처분공 간격을 결정하고 처분시스템의 성능을 평가하기 위해서는 열-수리-역학적인 복합 거동 변화에 대한 이해가 반드시 필요하고 이를 반영하여 해석해야만 한다. 하지만 한국형 기준 처분시스템에서의 처분터널 및 처분공 간격을 결정하기 위해 수행된 기존의 연구들은 이러한 복합거동 특성을 반영하지 않고 열 해석 결과만을 근거로 처분시스템을 설계하였다. 따라서 본 연구에서는 열-수리-역학적인 복합거동 특성을 반영하여 한국형 기준 처분시스템의 성능을 TOUGH2-MP/FLAC3D를 이용하여 평가하였다. 고준위방사성폐기물이 처분된 이후 방사성 붕괴열에 의해 처분시스템의 온도는 급격히 증가하다가 붕괴열의 감소로 온도는 서서히 감소하였으며, 해석 기간 1,000년 동안 벤토나이트 완충재의 최고 온도는 설계 기준인 $100^{\circ}C$ 이하로 유지되는 것으로 나타났다. 처분용기와 벤토나이트 완충재의 계면에서의 최고 온도는 약 3.21년이 지난 시점에 용기의 중간 지점에서 약 $96.2^{\circ}C$로 나타났으며, 암반에서의 최고 온도는 폐쇄 후 약 17년이 지난 시점에서 약 $68.2^{\circ}C$로 계산되었다. 처분용기 부근 벤토나이트 완충재는 처분 초기에 온도 변화에 따른 건조현상이 발생하여 포화도가 감소하지만, 시간이 지남에 따라 주변 암반으로부터의 지하수 유입에 의해 포화도가 증가하는 것으로 계산되었다. 이후, 벤토나이트 완충재 및 뒷채움재 모두 약 266년 이후 완전히 포화되는 것으로 계산되었다. 처분시스템에서의 온도 변화에 따른 열응력 그리고 벤토나이트 완충재 및 뒷채움재의 팽윤압으로 인한 응력 변화가 처분장 주변 암반에 미치는 영향을 평가하고자 수치해석에서 계산된 응력을 스폴링 강도(spalling strength)와 Mohr-coulomb 파괴 기준식과 비교하였다. 계산 결과 일축압축강도와 스폴링 강도에 도달하지 않는 것으로 나타나 처분시스템이 스폴링에 의한 파괴는 나타나지 않을 것으로 판단되며, Mohr-coulomb 파괴 기준 역시 충족하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 사용된 수치해석 코드와 방법론은 다양한 조건에서의 한국형 기준 처분시스템에 대한 성능평가뿐만 아니라, 복층 처분시스템에 대한 설계와 성능평가에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 터널과지하공간
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• 제28권5호
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• pp.400-425
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• 2018

본 논문에서는 국제공동연구인 DECOVALEX-2019 프로젝트 Task B의 연구결과와 현황을 소개하였다. Task B의 주제는 'Fault slip modelling'으로 유체의 주입으로 인해 발생하는 단층의 재활성(미끄러짐, 전단파괴)과 수리역학적 거동을 예측할 수 있는 해석기법을 개발하는 데에 그 목적이 있다. 1단계 연구는 참가팀들이 연구주제에 대해 숙지하고, 벤치마크 모델을 대상으로 단층의 투수특성과 역학적 거동의 상호작용을 모사할 수 있는 해석코드를 개발할 수 있도록 하는 준비 단계의 연구이다. 본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석 기법을 사용하여 물 주입으로 인한 단층의 수리역학적 연계거동을 모사하였다. TOUGH2 해석에서는 단층을 Darcy의 법칙과 삼승법칙을 따르는 연속체 요소로 모델링하였으며, FLAC3D 해석에서는 미끄러짐과 개폐가 허용되는 불연속 인터페이스 요소를 통해 모사하였다. 두 가지 수리간극모델에 대하여 수리역학적 커플링 관계식을 수치화하였으며, 연속체 요소(수리모델)와 인터페이스 요소(역학모델)의 거동을 연계할 수 있는 해석기법을 제시하였다. 또한, 단층의 역학적 변형(간극의 변화)으로 인한 수리물성 변화와 기하학적 변화(해석 메쉬의 변형)를 수리해석에 반영할 수 있는 해석기법을 개발하였다. 다양한 압력의 물을 단계적으로 주입하고 이로 인해 유도되는 단층의 탄성거동 및 전단파괴(미끄러짐)에 대해 살펴보았으며, 수리간극의 변화 양상과 원인, 압력 분포와 주입율의 관계 등을 면밀히 검토하였다. 해석 결과, 본 연구에서 개발한 해석기법이 물 주입으로 인한 단층의 미끄러짐 거동을 합리적인 수준에서 재현할 수 있는 것으로 판단할 수 있었다. 본 연구의 해석모델은 Task B에 참여하는 국외 연구팀들과의 의견 교류와 워크숍을 통해 지속적으로 개선하는 한편, 향후 연구의 현장시험에 적용하여 타당성을 검증할 예정이다.

• 터널과지하공간
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• 제26권1호
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• pp.12-23
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• 2016

향후 국내에서 수행될 이산화탄소 지중저장 프로젝트의 성공적인 수행을 위해서는 현장 지질조건에 최적화된 주입 조건을 설계하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 주입량 및 주입온도 등의 주입조건이 격리저장시스템의 역학적 안정성에 미치는 영향을 열-수리-역학 연계해석기법의 하나인 TOUGH-FLAC 해석기법을 이용하여 평가하였다. 저장시스템의 역학적 안정성은 기존 균열의 전단미끄러짐 발생가능성을 활동마찰각 및 응력원을 이용하여 분석하였다. 이산화탄소의 주입온도가 저류층의 초기온도보다 낮은 저온주입의 조건에도 열응력으로 인한 인장균열은 발생하지 않는 것으로 파악되었으나, 저류층에서 전단미끄러짐이 발생하는 결과를 보였다. 단위시간당 이산화탄소 주입량을 변화시킨 시나리오 해석에서는 단계별로 주입량을 감소시키는 주입시나리오에서 기존 균열들의 전단미끄러짐 발생 가능성이 가장 낮은 것으로 평가되었다.

• 터널과지하공간
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• 제21권5호
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• pp.394-405
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• 2011

본 연구에서는 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동의 역학적 변형 및 누출 거동의 복합거동을 파악할 목적으로 비등온 다상다성분 유체유동 및 역학적 거동의 연계해석이 가능한 TOUGH-FLAC 해석을 실시하였다. 지하압축공기에너지 저장 공동의 초기 및 장기 운영 과정에서 고압 압축공기 인입 입출에 따른 콘크리트 라이닝 내부에 발생하는 응력 양상을 살펴보고 저장공동 내부 압력 및 온도 변화를 파악함으로써 기밀성능을 평가하였다. 최대 저장공동 운영압력 8 MPa 조건에서 콘크리트 라이닝 내부에서는 공기침투압에 의한 유효응력의 감소와 접선방향의 인장응력의 증가에 따라 인장균열이 발생할 수 있음을 확인하였다. 콘크리트 라이닝 내부의 인장균열 발생에 따른 투과특성 증가 모델을 이용한 해석 결과, 저장공동 천정부 및 측벽부 일부에서 인장파괴가 발생하여 이들 영역에서의 투과계수는 초기 $10{\times}10^{-20}m^2$에서 $5.0{\times}10^{-13}m^2$까지 증가하였다. 한편, 콘크리트 라이닝 내부 인장균열 발생 및 투과특성 증가에도 불구하고 저장공동 내부 압축공기 압력은 주변 암반의 기밀성능으로 인해 일정하게 유지되고 공기누출량은 일일주입량의 0.02%에도 못 미쳐 복공식 지하 압축공기에너지 저장공동의 유효성을 확인할 수 있었다.

• 터널과지하공간
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• 제29권3호
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• pp.197-213
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• 2019

본 연구에서는 TOUGH-FLAC 연동해석기법을 이용하여 Mont Terri 지하연구시설에서 수행된 단층 내 물 주입시험을 수치적으로 모델링하고, 단층의 재활성과 수리역학적 거동 특성을 살펴보았다. TOUGH2 해석에서는 단층을 Darcy의 법칙과 삼승법칙(Cubic law)을 따르는 연속체 요소로 모델링하였으며, FLAC3D 해석에서는 미끄러짐과 개폐가 허용되는 불연속 인터페이스 요소를 통해 모사하였다. 현장에서 획득한 단층의 균열개방압력(fracture opening pressure), 주입율, 모니터링 압력, 변위 곡선 등을 바탕으로, 단층의 탄성적 변형과 파괴에 의한 수직팽창 특성을 반영할 수 있는 수리간극모델과 수리역학 커플링 관계를 해석모델에 반영하였다. 한편, 현지응력 조건, 단층의 강도 및 변형 특성에 따른 파라미터 해석을 실시하여 각 입력변수가 해석 결과에 미치는 영향을 분석하였으며, 이를 통해 현장시험 결과를 가장 잘 재현할 수 있는 파라미터 조합을 선정하였다. 해석 결과, 균열개방압력에서 단층의 주입율과 모니터링 압력이 크게 증가하는 현상을 합리적으로 재현할 수 있었다. 하지만, 동일한 입력 변수 조건에서 단층의 전단변위와 파괴영역의 범위는 현장시험 결과에 비해 과대평가되는 결과를 보였다. 이는 해석모델에서는 고압의 주입조건에서 단층의 지속적인 전단파괴가 유도되는 반면, 현장에서는 수리간극의 변화가 전단 미끄러짐보다는 인장력에 의한 단층면의 개방(tensile opening)에 크게 의존하는 것으로 추정되기 때문이다.